พื้นฐาน WiFi ตอนที่ 1: ความถี่และช่องสัญญาณ

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา

ในปีพ. ศ. 2490 สหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) ซึ่งเป็นหน่วยงานของสหประชาชาติได้กำหนดคลื่นความถี่ RF บางส่วนเป็น ISM ความคิดคือการมีความถี่มาตรฐานสากลที่สงวนไว้สำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรมวิทยาศาสตร์และการแพทย์ แดกดันการสื่อสารโทรคมนาคมไม่ใช่จุดประสงค์ดั้งเดิม

ก่อนที่เราจะพูดถึงรายละเอียดใด ๆ ฉันเพียงต้องการทราบว่าบทความนี้จะอิงตามโดเมนการกำกับดูแลของสหรัฐอเมริกาเป็นหลัก โดเมนการกำกับดูแลที่แตกต่างกันมีข้อกำหนดเฉพาะเกี่ยวกับความถี่ที่ส่งและการตั้งค่าพลังงาน

แม้ว่า ISM จะมีอยู่ 12 วง แต่ในตอนนี้เราจะมุ่งเน้นไปที่วงดนตรีเพียงสองวง คนส่วนใหญ่เรียกพวกเขาว่าเป็นย่านความถี่ 2.4GHz และ 5GHz

เริ่มกันที่ย่านความถี่ 2.4GHz ISM (2.400GHz-2.500GHz) ชุดความถี่ขนาดเล็กและแออัดนี้เป็นความถี่ที่ถูกใช้มากที่สุดแม้ว่าแล็ปท็อปสมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตส่วนใหญ่มาพร้อมกับวิทยุคู่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

เหตุผลนี้คือฟิสิกส์ หลักการทั่วไปคือยิ่งความถี่ต่ำการขยายพันธุ์ก็จะยิ่งนานขึ้นและการเจาะที่ดีขึ้น นี่คือ 2 ตัวอย่างในโลกแห่งความจริง:

  • คุณกำลังนั่งอยู่ในรถของคุณที่ไฟหยุด มีคนดึงขึ้นมาข้างๆคุณพร้อมกับวิทยุที่ส่งเสียงดัง หากคุณไม่ชอบรสนิยมทางดนตรีของพวกเขาคุณอาจปิดหน้าต่างของคุณ เสียงบางส่วนจะลดลง แต่คุณอาจจะยังได้ยินเสียงเบส (ความถี่ต่ำ) นั้นได้เป็นอย่างดี
  • อีกตัวอย่างหนึ่งคือระบบวิทยุเฉพาะทางที่กองทัพใช้ในการสื่อสารกับเรือดำน้ำที่จมอยู่ใต้น้ำ เรียกว่า ELF (ความถี่ต่ำมาก) และมีความยาวคลื่นที่ยาวมากจนเสาอากาศที่ต้องการยาวหลายไมล์

เอาล่ะตอนนี้เรารู้แล้วว่าความถี่ที่ต่ำกว่านั้นให้พื้นที่ครอบคลุมที่กว้างขึ้นและสัญญาณทะลุผ่านอุปสรรคได้ดีขึ้น ถ้าย่านความถี่ 2.4GHz ดีมากเราต้องการ 5GHz จริงหรือ? คำตอบคือใช่

ข้อ จำกัด 2.4 GHz

ช่องที่ไม่ทับซ้อนกัน 3 ช่องเท่านั้น ย่านความถี่ 2.4GHz แบ่งออกเป็น 14 ช่องสัญญาณส่วนใหญ่ห่างกัน 5MHz ระยะห่าง 5MHz นั้นไม่มีปัญหาในช่วงแรก ๆ ของการใช้งานแบบไร้สาย เทคโนโลยีในเวลานั้นถูก จำกัด ไว้ที่ประมาณ 1Mpbs ของปริมาณงาน จากนั้นในช่วงปลายทศวรรษ 1990 802.11b พร้อมด้วยเทคโนโลยีสเปกตรัมการแพร่กระจายได้กลายเป็นมาตรฐาน

ข้อดีคือสามารถรับปริมาณงาน 11Mbps ข้อเสียคือใช้ 22MHz ของคลื่นความถี่ ตัวอย่างเช่นหากคุณใช้ช่อง 6 อย่างน้อยที่สุดช่อง 4,5,7 และ 8 จะใช้ไม่ได้ ข้อ จำกัด นี้ยังคงมีผลบังคับใช้ในปัจจุบันไม่ว่าคุณจะใช้อุปกรณ์ 802.11g รุ่นเก่าหรือ 802.11n (2.4GHz) รุ่นล่าสุด นี่เป็นข้อ จำกัด ที่สำคัญที่สุดประการหนึ่ง

wifi limitations

มันแออัดเกินไป สิ่งนี้จะประสานกับข้อ จำกัด ก่อนหน้านี้ แม้ว่ามาตรฐาน 802.11a (5GHz) และ 802.11b (2.4GHz) จะได้รับการปล่อยตัวเนื่องจากความแตกต่างด้านต้นทุน แต่มีเพียง 802.11b เท่านั้นที่เห็นการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในเวลานั้น ผลก็คือแม้ทุกวันนี้การรับส่งข้อมูล WiFi ส่วนใหญ่จะใช้ย่านความถี่ 2.4GHz

ยืนบนหัวมุมถนนในตัวเมืองของเมืองขนาดพอเหมาะและเรียกใช้ซอฟต์แวร์สแกน WiFi ในทุกโอกาสคุณจะเห็นสัญญาณอย่างน้อย 20 สัญญาณ ฉันเคยเห็นมาแล้วกว่า 40 ชีวิตในตัวเมืองวอชิงตัน ดี.ซี. ตอนนี้จำไว้ว่าสัญญาณทั้ง 40 รายการทำงานบน 3 ช่องสัญญาณเท่านั้น

เป็นวงดนตรี ISM และตามความหมายแล้วเปิดสำหรับอุปกรณ์ประเภทอื่น ๆ มีอุปกรณ์ที่ไม่ใช่ WiFi จำนวนมากที่อาจก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนเช่นเตาไมโครเวฟโทรศัพท์ไร้สายอุปกรณ์บลูทู ธ อุปกรณ์เฝ้าดูเด็กกล้องวิดีโอที่เปิดประตูโรงรถ ฯลฯ

สิ่งเหล่านี้สามารถรบกวนเครือข่ายของคุณอย่างรุนแรงและตรวจจับได้ยากมากหากไม่มีฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์วิเคราะห์สเปกตรัมเฉพาะ

ต่อไปเราจะพูดถึงย่านความถี่ 5GHz

นอกเหนือจากแบนด์ ISM มาตรฐาน (5.725-7.825GHz) แล้ว FCC ยังเพิ่มสเปกตรัมจากแถบ UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) เพื่อกระตุ้นการใช้เทคโนโลยีไร้สาย นอกจากนี้โปรดทราบว่าหน่วยงานกำกับดูแลต่างๆกำลังดำเนินการผ่านขั้นตอนการเพิ่มคลื่นความถี่ 195MHz ที่มีอยู่ในช่วง 5GHz

5ghz band

ข้อ จำกัด 5GHz

ดังที่เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ความถี่ที่สูงขึ้นจะไม่แพร่กระจายไปไกลและไม่ทะลุผ่านสิ่งกีดขวางด้วย ลองเปรียบเทียบกับย่านความถี่ 2.4GHz ในการใช้งานจริง

  • ในที่โล่งสัญญาณ 5GHz จะครอบคลุมระยะทางประมาณ 1/3 ถึง½
  • คุณภาพสัญญาณที่ใช้งานได้จะลดลงอย่างมากหลังจากเจาะทะลุผนังด้านใน 1 ช่องเมื่อเทียบกับผนัง 3 ด้านสำหรับสัญญาณ 2.4GHz

สิ่งนี้นำไปสู่ข้อเสียที่ชัดเจนน้อยกว่าอีกอย่างคือต้นทุน ป้ายราคาสำหรับติดตั้งเครือข่าย WiFi 5GHz (อย่างดีดูอัลแบนด์) ทุกขนาดอย่างน้อย 2.5 เท่าของราคาเครือข่าย 2.4 เท่าที่เทียบเท่า คุณต้องการจุดเชื่อมต่อที่มากขึ้นโดยทั่วไปคือ 2.5x ถึง 3x เพิ่มในการเดินสายการออกใบอนุญาตการบำรุงรักษา ฯลฯ

บางช่องมีการใช้ร่วมกัน ช่องเฉพาะถูกกำหนดให้เป็น DFS การเลือกความถี่แบบไดนามิก ช่องสัญญาณเหล่านี้ซึ่งอยู่ในแถบ UNII-2 และ -2 ขยายใช้คลื่นความถี่ร่วมกับระบบเรดาร์บางส่วนซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในยุโรป

ด้วยเหตุนี้ระบบ WiFi จึงต้องได้รับการออกแบบมาเพื่อสแกนหาเรดาร์พัลส์ก่อนที่จะใช้ช่องสัญญาณนั้น ๆ แน่นอนหากตรวจพบพัลส์เรดาร์มันจะปิดการใช้งานช่องสัญญาณเหล่านั้นทันที

ข้อดีของ 5GHz

ดังที่คุณเห็นอย่างชัดเจนในแผนภูมิด้านบนมีมากกว่า 3 ช่อง สังเกตระยะห่างของช่องสัญญาณ - อย่างน้อย 20MHz ซึ่งหมายความว่าไม่มีช่องที่ทับซ้อนกัน ทั้งหมดสามารถใช้งานได้พร้อมกัน

แออัดน้อยกว่ามาก ซึ่งแตกต่างจากอุปกรณ์ 2.4GHz ที่อุปกรณ์ 5GHz มีการกระจายอย่างกว้างขวางภายในห้าหรือหกปีที่ผ่านมา นอกจากนี้ยังต้องใช้เวลาในการอัปเกรดโครงสร้างพื้นฐาน ยังคงมีธุรกิจจำนวนมากที่ดำเนินธุรกิจ 2.4 เครือข่ายเท่านั้น

แหล่งสัญญาณรบกวนน้อยมาก ยกเว้นเรดาร์ดังกล่าวในบางความถี่โอกาสที่สัญญาณรบกวนที่ไม่ใช่ WiFi จะต่ำมาก

ความสามารถในการรับส่งข้อมูลที่สูงขึ้น ในทางทฤษฎีทั้งสองมีความสามารถ 600Mbps อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติไม่เป็นเช่นนั้นเนื่องจากความสามารถที่เพิ่มขึ้นส่วนใหญ่นั้นขึ้นอยู่กับการเชื่อมช่องสัญญาณ นี่คือโหมดเสริมที่อุปกรณ์ใช้ช่องสัญญาณที่อยู่ติดกันหลายช่องพร้อมกัน จำไว้ก่อนหน้านี้ว่าเราพูดถึงข้อเท็จจริงที่ว่ามีเพียง 3 ช่องที่ไม่ทับซ้อนกันในแถบ 2.4?

เทคนิคนี้จะใช้ 2 ใน 3 ดังนั้นไม่เพียง แต่คุณจะทำให้เพื่อนบ้านของคุณระคายเคืองอย่างแท้จริงสัญญาณรบกวนร่วมและช่องสัญญาณที่อยู่ติดกันทั้งหมดอาจทำให้เครือข่ายของคุณทำงานได้แย่ลงมาก เพื่อสรุปอย่าเปิดใช้งานการเชื่อมช่องสัญญาณในแถบ 2.4

มีมาตรฐานใหม่ ๆ ออกมาซึ่งใช้ประโยชน์จากช่วงความถี่อื่น ๆ เราจะพูดถึงพวกเขาในบทความต่อไป

สำหรับ pdf ของแผนที่สเปกตรัมอย่างเป็นทางการของ FCC: http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.PDF

ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับบทความนี้ ฉันคิดว่าเรื่องต่อไปของฉันจะเป็นการอภิปรายเกี่ยวกับมาตรฐานที่แตกต่างกัน

หากคุณมีข้อเสนอแนะหัวข้อเกี่ยวกับ WiFi หรือเครือข่ายทั่วไปโปรดแจ้งให้เราทราบในความคิดเห็น